方兴未艾的冰冻圈科学分支学科——冰冻圈气候学

20世纪80年代以来,现代气候系统理论的建立和发展推动了冰冻圈科学和气候学的交叉融合,进而催生了冰冻圈气候学。冰冻圈的形成演化和地球气候有着密切关系。冰冻圈不仅是一定条件下气候的产物,其变化也影响到天气和气候,影响人类社会经济和可持续发展。冰冻圈气候学就是研究冰冻圈变化与大气圈的互馈作用及其物理机制的科学。文章从介绍冰冻圈气候学的发展历史入手,系统阐释冰冻圈气候学的基本概念和学科特点。冰冻圈气候学重点研究冰冻圈在天气气候及大气环流形成与变异中的作用、冰冻圈-大气圈相互作用的过程与机理、气候系统和冰冻圈模式的发展、气候变化与冰冻圈变化的预估,以及冰冻圈气候学对经济社会的服务功能。继续深化对冰冻圈和大气圈相互作用过程与机理的认识,推动陆地冰冻圈、海洋冰冻圈和大气冰冻圈过程参数化方案向精细化、定量化、复杂性方向发展,特别是重点考虑冰冻圈不同分量和要素非线性作用的时空尺度,发展耦合冰冻圈过程的全球与区域气候系统模式是冰冻圈气候学的未来发展趋势。     

冰冻圈人文社会学的重要视角：功能与服务

冰冻圈与人类社会(人类圈)息息相关,随着全球变暖和冰冻圈普遍退缩,冰冻圈对人类社会的致利和致灾效应均在发生深刻的变化:一方面,冰冻圈灾害以频发的极端事件加剧呈现;另一方面,冰冻圈服务能力整体将不断减弱乃至丧失。文章在介绍冰冻圈核心区及其主要影响区域的人文社会特征基础上,对冰冻圈功能与服务及其价值理论进行论述,并以全球高山"水塔"的重要性和极地系统变化为例阐述冰冻圈功能和服务变化及其影响,最后进一步讨论了提升冰冻圈影响区社会生态-系统恢复力的路径。     

冰冻圈化学：解密气候环境和人类活动的指纹

冰冻圈化学是一门新兴学科,是冰冻圈科学的重要分支。自工业革命以来,人类活动排放的污染物深刻影响了冰冻圈的化学成分,而全球变暖导致的冰冻圈快速退缩,也影响到冰冻圈乃至全球的生物地球化学循环,并产生了显著的气候和环境效应。文章介绍了冰冻圈化学在冰冻圈科学体系中的定位,构建了冰冻圈化学的学科框架;通过举例阐明冰冻圈化学与气候和环境变化及人类活动的联系,特别是冰冻圈化学在全球变化研究中的作用;对当今冰冻圈化学相关研究热点进行了回顾和展望。冰冻圈化学研究的不断深入,将为应对人类所面临的气候和环境问题提供重要科技支撑。     

冰冻圈水文学：解密地球最大淡水库

冰冻圈水体以固态存在,固态水融化后在流域、区域乃至全球尺度上影响水文、水资源和水循环。文章从水文学视角,重点从冰冻圈水文功能、融水径流过程及其影响、冰冻圈水文生态与环境效应等方面介绍冰冻圈水文研究的内容和最新进展。冰冻圈水文功能主要表现在水源涵养、径流补给、水资源调节3个方面。在气候变暖的背景下,冰冻圈水文过程已经发生了显著变化,冰川消融期提前,冰川融水径流增多;融雪期提前,多年冻土退化导致冬季径流增加,对流域径流的年内调节能力增加。预估未来气候变化情景下,冰川融水持续减少,其变化对我国西北地区的水资源管理带来更大挑战。冰冻圈水文过程变化也对寒区生态系统和生态工程、洪水灾害及可持续发展、乃至地缘政治有重要影响。     

冰冻圈工程学助力互联互通基础设施建设

冰冻圈与气候变化、人类工程活动和社会经济发展具有极为密切的关系,冰冻圈变化及其引发的冰冻圈灾害使寒区工程建设和安全运营面临着巨大的挑战。冰冻圈各要素对重大工程影响具有显著不同的特点,冰川、积雪、海(河、湖)冰等主要以灾害方式影响重大工程的建设、安全运营和服役性。冻土作为工程构筑物的特殊地基土,冻融灾害和冻土热力学稳定性变化均会直接影响工程的稳定性。随着全球气候环境变化,冰冻圈各要素变化及其水文、生态环境、地表过程等变化均对重大工程产生显著的影响,需加强重大工程建设和安全运营与环境因素变化之间关系研究,重大工程安全保障技术也需更加综合地考虑气候和环境变化的影响。因此,气候和环境变化将成为未来冰冻圈区重大工程建设、安全运营和工程服役性必须考虑的重要因素。同时,"一带一路"基础设施建设不仅给冰冻圈工程学带来机遇,而且也使其面临更大的挑战。     

冰冻圈灾害特征、影响及其学科发展展望

冰冻圈灾害包括陆地冰冻圈灾害、海洋冰冻圈灾害和大气冰冻圈灾害,冰冻圈灾害分布广泛,对社会造成的损失和影响巨大。气候变暖导致冰冻圈灾害的发生频率和强度越来越高,使冰冻圈及其影响地区消除贫困、气候变化减缓与适应,以及经济社会可持续发展面临严峻挑战。早期,冰冻圈灾害学主要以单灾种的致灾事件、灾害影响和防治研究为主,且多集中于雪崩、冰湖溃决和冰川泥石流灾害。20世纪80年代以来,冰冻圈灾害学研究范畴扩大,冻土灾害、海冰灾害、冰凌灾害等得到广泛关注和深入研究。近10年,伴随冰冻圈科学体系的建立、完善,冰冻圈灾害学学科体系正在孕育发展,且在冰冻圈灾害风险、影响与适应方面进展显著。基于已有研究,文章详细阐述了冰冻圈灾害学学科内涵,评述了冰冻圈灾害时空特征及其综合影响,进而提出了未来冰冻圈灾害学学科建设和发展的建议。     

冰冻圈生态系统：全球变化的前哨与屏障

冰冻圈与生物圈间密切的互馈作用关系在全球变化下不断加强,深刻影响着全球环境治理和人类社会可持续发展。文章从冰冻圈生态系统基本格局与功能、对变化环境的响应过程及适应性策略等角度,全面阐释了冰冻圈生态系统的分布格局及其在全球生态系统功能与人类福祉中的作用、冰冻圈生态系统对全球变化的高度敏感性与指示性、冰冻圈生态系统在生物多样性维持及生物生产力增效等方面的屏障作用等,提出了变化环境下冰冻圈生态系统健康维持的有效调控路径;从而较为系统地介绍了冰冻圈生态学的基本内涵与学科进展,并指出了冰冻圈生态学未来主要发展趋势。     

冰冻圈科学体系的建立及其意义

冰冻圈是气候系统五大圈层之一,其存在和变化对大气、水资源和水循环、生态系统、陆地和海洋环境以及社会经济可持续发展具有重要影响,在地球系统中扮演重要角色。从冰冻圈形成和变化机理与过程,与大气圈、水圈、生物圈和岩石圈相互作用,到冰冻圈变化的影响和适应,以及区域和全球经济社会的服务功能等的集成,发展成一门新兴交叉学科——冰冻圈科学。冰冻圈科学体系的建立和发展,与"未来地球""地球委员会"等倡导的方向相一致,具有国际前瞻性。     

多年冻土调查和监测为青藏高原地球科学研究、环境保护和工程建设提供科学支撑

随着我国西部大开发战略的实施和气候变暖对青藏高原影响的日益显著,多年冻土变化对生态、水文、气候和工程建设的影响日渐突出,多年冻土的长期定位监测和大范围野外调查已经成为冰冻圈、生态、水文、气候和寒区工程建设等方面深化研究和解决重大科学和工程问题的重大需求。中科院青藏高原冰冻圈观测研究站(简称"高原冰冻圈站")自建站以来对青藏高原多年冻土进行了长期连续的监测和大范围的野外调查,开展了多年冻土水热状况的变化机理、模型模拟和生态效应综合研究。特别是近年来在科技部、国家自然科学基金委和中科院等重大项目支持下,高原冰冻圈站积极开展国内外科研合作,规范了多年冻土野外考察和定位监测的方法,建成了在国际上处于领先地位的多年冻土综合监测网络;系统地开展了高原多年冻土分布、温度、厚度和地下冰空间分异规律的定量研究,基于多源数据和多模式比对,发布了空间分辨率为1 km的高原多年冻土温度、厚度和地下冰的空间格网数据。基于长期监测数据,构建和改进了适合于青藏高原多年冻土的一维热传导模式和陆面过程模式,定量评价了过去30年来高原尺度多年冻土的变化及物理机制。这些科研成果不仅为青藏铁路建设、三江源国家公园生态保护、区域气候模拟等问题的解决提供了强有力的基础数据支撑,同时也面向国家需求和国家重大项目研究,推动决策咨询服务。有关青藏高原多年冻土区植被、生态和土壤有机碳氮空间分布的研究成果,填补了该领域的国际空白,为未来地球国际科学研究计划和地球系统模式发展提供了最为基础的本底数据支撑。     

冰冻圈科学发展的基础研究问题刍议

发展与资源环境的矛盾,是人类面临的全球性挑战,地球上由两极冰帽、大陆冰川、冻土、积雪、海冰等构成的冰冻圈影响和控制着全球气候、自然景观及人类的生活、生产。我国是冰川冻土大国,随着我国寒区经济的发展,要抓紧冰冻圈科学基础研究的规划和实施,本世纪末内应从七个方面展开。     

青藏高原国际合作研究呈新格局

受全球变化影响,近年来．第三极地区环境发生了显著变化：而周边地区的人类活动,也越来越明显地影响第三极地区环境。首先,第三极地区以其独特的冰冻圈过程．对全球变化表现出敏感的响应;其次．该地区地表生态系统分布格局与功能．对全球变化的适应与平衡十分脆弱;再次．该地区在长时间尺度和大空间范围上的变化．对整个北半球乃至全球气候环境系统均具重要影响。而且,以青藏高原为中心的第三极地区．是影响亚洲季风及我国气候异常和变化的关键区域。在青藏高原研究中,我国拥有地缘优势。     

青藏高原冰川冻土变化影响分析与应对措施

青藏高原自然环境和生态系统十分独特,对高原区域经济社会发展起着基础保障作用．在我国乃至亚洲的生态与环境安全保障中具有不可替代的重要地位。近30年来．全球正经历着以气候变暖为主要特征的显著变化．对青藏高原冰冻圈的影响极为明显。气候变暖导致山地冰川加速消融退缩,引起冰湖溃决和泥石流、滑坡等山地灾害发生频率和危害程度加大．     

基于生态服务价值的土地利用/覆盖变化生态效应测评

在3S技术支撑下,运用生态服务价值测评方法测算榆林市生态资产时空分布,并消除气候波动的影响,构造土地利用变化生态效应指数和生态效应度等指标。研究表明:①土地利用变化和气候波动是导致榆林市生态服务总价值年际变化的主要因素,榆林市大部分区域1987年~1999年和1999年~2002年前后两阶段生态服务总价值变化中,土地利用变化的贡献率小于气候波动,这一结论说明在气候干旱、降雨年际变率大的区域进行生态建设,应确保其效益持续增加,生态建设方式、植被类型选择更应适应区域气候条件;②全市前后两个阶段的土地利用变化生态效应度分别为65.65元/(hm2.年)、81.64元/(hm2.年);除榆阳、神木、米脂外,其余各区域的土地利用变化生态效应后一阶段高于前一阶段,在前一阶段,北6县土地类型间流转导致生态价值变化较南6县强烈;而后一阶段正好与之相反。     

冰冻圈科学与可持续发展

正编者按冰冻圈是地球系统中水体处于冻结状态的负温圈层,主要分布在地球两极和高山地区。在人类演化与进步的漫长过程中,冰冻圈起到了重要作用。一方面,冰冻圈服务为人类社会提供了各种惠益和福祉,如淡水资源供给、水文调节、生态调节等;另一方面,冰冻圈灾害,如雪崩、冰川泥石流等,也给人类经济社会带来了严峻挑战。自18世纪工业化时代以来,人类活动造成全球气候变暖、海平面上升、     

冰冻圈地缘政治时代的到来

全球气候变暖正在导致冰冻圈的快速融化,并由此引发对冰冻圈特别是北极地区资源和航道控制权的争夺,世界正进入一个由气候变化驱动的地缘政治时代。文章在分析冰冻圈地缘政治形成背景的基础上,讨论了冰冻圈地缘政治(学)的内涵及特征;并从现实主义视角分析近20年来发生在北极地区的地缘政治竞争态势,包括北极五国对200海里外大陆架划界的竞争,以及美国和俄罗斯等国围绕北极资源、航道控制展开的军事部署和斗争。最后,提出了中国参与冰冻圈国际治理的思路。     

人物视点

秦大河,1947年生,地理学家,博士生导师,中国科学院院士,第三世界科学院院士。曾任中国科学院兰州冰川冻土研究所研究员,中国科学院资源环境科学与技术局局长,中国气象局局长。参与和领导政府间气候变化专业委员会（IPCC）第三、四、五次气候变化评估报告以及中国气候环境演变评估工作,为深化认识气候变化科学做出了重要贡献。积极倡导冰冻圈科学概念,从冰冻圈与其他圈层相互作用以及冰冻圈变化的适应对策方面构建了冰冻圈科学的理论框架,创建了冰冻圈科学国家重点实验室。主持《中国气象事业发展战略研究》,提出“公共气象,安全气象,资源气象”新理念,实施气象业务技术体制改革,使中国气象科技事业发展步入新阶段。曾获国际气象组织奖（IMO）、2013年沃尔沃环境奖等荣誉。     

冰冻圈物理研究的新视野

冰是冰冻圈核心物质,但不同冰冻圈要素因冰的含量及其他物质组成有所不同,物理性质及各种物理过程存在明显差异。经过20世纪中后期对冰的物理性质的大量实验研究和冰冻圈主要要素物理特征的广泛调查,冰的物理性质和冰冻圈主要要素物理特征的基本概念得以明确。随着冰冻圈科学体系的建立和服务于社会经济发展的需要,冰冻圈物理研究在3个方面要着力发展:(1)提高冰和冰冻圈要素物理性质的定量刻画精度,为过程模拟、冰冻圈灾害防治和冰冻圈服务提供关键参数支持;(2)加强冰冻圈主要要素综合物理过程的模拟研究,特别是要开展实体和相似性模拟实验;(3)推进冰冻圈多模式及其与其他圈层模式的耦合研究。     

中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室

正中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室始建于1991年,2007年10月通过科技部论证,被批准成为国家重点实验室。实验室基于长期野外定位观测、面上考察和实验室分析模拟,建立了国际上最全面的山地冰冻圈综合监测网络和实验室分析研究平台,以"冰冻圈过程、机理和模拟""冰冻圈与其他圈层相互作用"和"冰冻圈灾害、影响与适应对策"三大研究方向为主线,在中国西部、南极和北极地区系统开展与冰冻圈相关的基础研究和应用基础研究。实验室在国际上率先建立了冰冻圈科学学科体系,促进了自然科学和社会科学的交叉融合。近年来,实验室在不断完善     

冰冻圈遥感：助力“三极”大科学计划

冰冻圈遥感学是冰冻圈科学体系中的一个重要分支,也是一门新型的交叉学科。文章对冰冻圈遥感学的研究对象及基本遥感方法进行了概述,并通过典型案例介绍了冰冻圈遥感的总体进展,重点对我国冰冻圈遥感的发展现状进行了简要描述。最后对冰冻圈遥感学的发展提出了建议,探讨了冰冻圈遥感助力我国即将开展的"三极"大科学计划。     

冰冻圈微生物：机遇与挑战

近年来,冰冻圈微生物的研究受到广泛重视。冰冻圈的低温和严酷的生存条件,选择了具有独特适应性和多样性的微生物,这些微生物是地球生命系统和生物多样性的独特组分。冰冻圈微生物大多为冷适应微生物;其中,有许多新微生物类群,是极其重要的物种和基因资源。嗜冷微生物是揭示生物冷适应机制的模式生物,其细胞及细胞组分在低温生物工艺上显示出巨大的应用价值。冰冻圈中也封存着一些古老的未知致病性微生物。冰冻圈是地球上对气候变化最为敏感的圈层,地球的升温正加速冰冻圈的退化和消融,冰冻圈微生物赖以生存的生境正在消失,且伴随着微生物的释放。这些微生物的释放可能是人类面临的不可预知的威胁。因此,亟待开展冰冻圈微生物调查与研究,探讨其对全球变化的响应及其适应机制。